CN105337479B - 一种igbt驱动的栅极保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT驱动的栅极保护电路，该电路在典型栅极保护电路的基础上进行改进，实现了不同栅极驱动电压尖峰和瞬态浪涌的保护；此外，该电路针对不同栅极电平进行不同保护阈值的保护，其电路结构简单，通用性强，可靠性强，不仅能够良好的实现IGBT驱动中栅极保护电路的保护功能，保障IGBT变流器安全可靠地运行，同时还能够针对两种不同的驱动脉冲电平进行保护阈值的自动切换，适应了不同电平驱动技术的发展。

Description

一种IGBT驱动的栅极保护电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种IGBT驱动的栅极保护电路。

背景技术

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。为了防止栅极电荷积累及栅源电压出现尖峰损坏IGBT——可在G极和E极之间设置一些保护元件，如图1的电阻RGE的作用，是使栅极积累电荷泄放；两个反向串联的稳压二极管Z1和Z2，是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT，导通电阻RG和电容C参数可以改善驱动脉冲的电压电流变化率。

一般情况下，IGBT栅极电压VGE需15v才能使IGBT进入深饱和；当VGE增加时，导通时集射电压VCE将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中VGE增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+VGE在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力)。

现有技术中，IGBT栅极上升沿和下降沿控制技术日益受到重视，即在IGBT栅极上施加可以调整的驱动电压波形，对于IGBT开通和关断过程进行控制，以达到所需要的开通关断要求，但是针对不同栅极电平的保护电路却少有研究，往往采用较为复杂的控制方法，这样造成无法采用驱动适配板的方式降低寄生参数对驱动的影响。另外，图1的方案一旦两个反相串联的稳压二极管Z1和Z2的稳压值选定，只能对某一固定栅极电平进行钳位保护，并不适用VGE电平变化的驱动方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种IGBT驱动的栅极保护电路，其结构简单，通用性强，可以根据各种应用场合进行栅极电压抑制的参数设置，不仅可以应用在各种工况下的IGBT驱动电路设计中，降低寄生参数对驱动的影响，还可以同时对两种驱动电平进行自适应的栅极电平钳位保护。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种IGBT驱动的栅极保护电路，包括：连接驱动板输出驱动脉冲信号的端口G与端口E，连接IGBT栅极的端口IGBT-G及连接IGBT射级的端口IGBT-E；所述端口G与端口IGBT-G连通，记为线路1；所述端口E与端口IGBT-E连通，记为线路2；所述线路1与线路2中连有：导通电阻R1，泄放电阻R2，保护电阻R3、R4、R5、R6，吸收电容C1，瞬态抑制二极管TVS1和TVS2，NMOS管Q1，NPN三级管Q2，保护二极管D1和D2，以及稳压管Z1和Z2；其中：

所述稳压管Z1和Z2以及保护电阻R3与R4依次串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

保护二极管D1与电容C2串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

所述泄放电阻R2设置在线路1中，且连接于保护二极管D1与稳压管Z1之间；

所述瞬态抑制二极管TVS1和TVS2串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

所述导通电阻R1与吸收电容C1分别并联在线路1与线路2之间；

所述保护电阻R5、R6以及稳压管Z2依次串联连接，该串联电路的一端连接在保护二极管D1与电容C2之间，另一端连接线路2；

所述NPN三级管Q2的三个端口分别连接保护电阻R3与R4之间、保护电阻R5与R6之间，以及线路2；

所述NMOS管Q1的三个端口分别连接瞬态抑制二极管TVS1和TVS2之间、保护电阻R6与稳压管Z2之间以及线路2。

进一步的，当驱动板输出驱动脉冲信号+V1与-V0ff的信号时，+V1电压小于稳压管Z1的击穿电压，击不穿稳压管Z1，NPN三极管Q2不导通，+V1信号通过二极管D1、电阻R5、R6加到NMOS管Q1的栅极，使NMOS管Q1导通，此时给电容C2充电，当信号变为-Voff时，电容C2的电压仍能使NMOS管Q1导通，整个周期瞬态抑制二极管TVS2被短路，只瞬态抑制二极管TVS1起作用，能够保护IGBT的栅极电压正负都不超过TVS1的击穿电压VD1；

当驱动板输出驱动脉冲信号+V2与-V0ff的信号时，+V2电压大于稳压管Z1的击穿电压，击穿Z1，三极管Q2导通，NMOS管Q1的栅极接地而不导通，瞬态抑制二极管TVS1和TVS1串联起作用，保护IGBT栅极正电压不超过TVS1和TVS2的击穿电压之和VD1+VD2，此时给电容C2充电；当信号变为-V0ff时，电容C2的电压仍能使NMOS管Q1导通，此时TVS2被短路，保证IGBT栅极负电压不超过TVS1的击穿电压VD1。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该电路在图1典型栅极保护电路的基础上进行改进，实现了不同栅极驱动电压尖峰和瞬态浪涌的保护；此外，该电路针对不同栅极电平进行不同保护阈值的保护，其电路结构简单，通用性强，可靠性强，不仅能够良好的实现IGBT驱动中栅极保护电路的保护功能，保障IGBT变流器安全可靠地运行，同时还能够针对两种不同的驱动脉冲电平进行保护阈值的自动切换，适应了不同电平驱动技术的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的传统IGBT驱动栅极保护电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种IGBT驱动的栅极保护电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种IGBT驱动的栅极保护电路，其作为IGBT驱动电路的一部分，可直接安装在IGBT模块的适配板上。如图2所示，其主要包括：连接驱动板输出驱动脉冲信号的端口G与端口E，连接IGBT栅极的端口IGBT-G及连接IGBT射级的端口IGBT-E；所述端口G与端口IGBT-G连通，记为线路1；所述端口E与端口IGBT-E连通，记为线路2；所述线路1与线路2中连有：导通电阻R1，泄放电阻R2，保护电阻R3、R4、R5、R6，吸收电容C1，瞬态抑制二极管TVS1和TVS2，NMOS管Q1，NPN三级管Q2，保护二极管D1和D2，以及稳压管Z1和Z2；其中：

所述稳压管Z1和Z2以及保护电阻R3与R4依次串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

保护二极管D1与电容C2串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

所述泄放电阻R2设置在线路1中，且连接于保护二极管D1与稳压管Z1之间；

所述瞬态抑制二极管TVS1和TVS2串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

所述导通电阻R1与吸收电容C1分别并联在线路1与线路2之间；

所述保护电阻R5、R6以及稳压管Z2依次串联连接，该串联电路的一端连接在保护二极管D1与电容C2之间，另一端连接线路2；

所述NPN三级管Q2的三个端口分别连接保护电阻R3与R4之间、保护电阻R5与R6之间，以及线路2；

所述NMOS管Q1的三个端口分别连接瞬态抑制二极管TVS1和TVS2之间、保护电阻R6与稳压管Z2之间以及线路2。

本发明实施例提供的上述方案，实现了不同栅极电压保护阈值的切换，具体来说：

当驱动板输出驱动脉冲信号+V1与-V0ff的信号时，+V1电压小于稳压管Z1的击穿电压，击不穿稳压管Z1，NPN三极管Q2不导通，+V1信号通过二极管D1、电阻R5、R6加到NMOS管Q1的栅极，使NMOS管Q1导通，此时给电容C2充电，当信号变为-Voff时，电容C2的电压仍能使NMOS管Q1导通，整个周期瞬态抑制二极管TVS2被短路，只瞬态抑制二极管TVS1起作用，能够保护IGBT的栅极电压正负都不超过TVS1的击穿电压VD1；

当驱动板输出驱动脉冲信号+V2与-V0ff的信号时，+V2电压大于稳压管Z1的击穿电压，击穿Z1，三极管Q2导通，NMOS管Q1的栅极接地而不导通，瞬态抑制二极管TVS1和TVS1串联起作用，保护IGBT栅极正电压不超过TVS1和TVS2的击穿电压之和VD1+VD2，此时给电容C2充电；当信号变为-V0ff时，电容C2的电压仍能使NMOS管Q1导通，此时TVS2被短路，保证IGBT栅极负电压不超过TVS1的击穿电压VD1。

本发明实施例中，导通电阻R1，泄放电阻R2，吸收电容C1，瞬态抑制二极管TVS1和TVS2是栅极保护电路常用的器件，导通电阻R1和吸收电容C1用于抑制IGBT驱动脉冲的电压和电流变化率，泄放电阻R2使IGBT栅极积累电荷得以泄放，瞬态抑制二极管用来抑制IGBT驱动脉冲的电压尖峰，根据驱动脉冲的电压等级进行选取。

本发明实施例中，保护电阻R3、R4、R5、R6，NMOS管Q1，NPN三级管Q2，保护二极管D1和D2，以及稳压管Z1和Z2与瞬态抑制二极管TVS1和TVS2一起构成对不同电平的驱动脉冲信号进行不同栅极电压保护阈值的切换电路。

上述各个元器件的参数可采用下述方式选取：

(1)瞬态抑制二极管TVS1和TVS2的选取和选型：瞬态抑制二极管TVS1和TVS2的阀值根据实际驱动脉冲的电压进行选取，一般选取要大于额定工作电压的最大值，同时也要考虑器件本身的击穿电压变化范围。TVS1的击穿电压VD1为一个驱动脉冲电平电压尖峰抑制值；TVS1和TVS2的击穿电压之和VD1+VD2为另一个驱动脉冲电平电压尖峰抑制值。选型上考虑双向及浪涌等级，要超过主电路电压等级。

(2)稳压管Z1和Z2的选取：稳压管Z1的是两种栅极保护阈值电路的切换阈值，因此需要根据两个驱动脉冲的电平选取，但是要大于VD1，避免正常的电压尖峰导致栅极保护阈值切换；

(3)NMOS管Q1，NPN三级管Q2，保护电阻R3、R4、R5、R6，保护二极管D1和D2的选取：NMOS管Q1，NPN三级管Q2根据实际驱动脉冲的电平选取即可，R3、R4考虑三级管Q2的基级电流，R5、R6考虑MOS管Q1的栅极电压，D1,D2根据R3、R4、R5、R6的值考虑电流选取。

为了便于理解，下面结合一具体示例对本发明做进一步介绍。

本示例中，所述IGBT驱动的栅极保护电路应用于电路机车牵引变流器的IGBT驱动电路设计中，在1800VDC-1300VAC的两电平三相逆变器中，用于对3300V、1200A的IGBT进行栅极保护。具体如下：

(1)在图2所示的电路中，正常情况下驱动板输出脉冲信号为+15V/-12V，特定情况下驱动板输出脉冲信号会变为+24V/-12V，如果采用典型的IGBT驱动栅极保护电路，无法选取瞬态抑制二极管的参数能适应两种情况。

(2)在图2所示的电路中，导通电阻R1可选取10个金属化薄膜电阻并联，每个参数是15Ω阻值，1％精度，1/4W功率，1206封装；泄放电阻R2可选取2个金属化薄膜电阻并联，每个参数是20kΩ阻值，1％精度，1/4W功率，1206封装；C1的选型为5个多层陶瓷贴片电容并联，每个参数是68nF容值，1210封装，耐压50V，以上是典型栅极保护电路具体应用中的设计。

(3)在图2所示的电路中瞬态抑制二极管TVS1和TVS2可选取VASHAY公司的SMCJ16CA和SMCJ10CA，实现VD1为16V和VD1+VD2＝26V的两种钳位电压设计。稳压管Z1和Z2可选取PHILIPS公司的BZX84-C18，Z1确定了两种栅极阈值保护的切换电平为18V，Z2确定对NMOS管Q1的门级保护钳位电平。NMOS管Q1可选取IR公司的IRFL014，NPN三级管Q2可选取NXP公司的MMBT2222A，二极管D1可选取ON公司的MURS120T3G，二极管D2可选取PHILIPS公司的BAV99。保护电阻R3、R4、R5、R6可选取1％精度，1/4W功率，1206封装金属化薄膜电阻，参数分别是825Ω，470Ω，10kΩ，1kΩ。

需要说明的是，本示例所涉及的各个元器件的具体参数仅为举例，并非构成限制。在实际工作中，用户可以根据所驱动的IGBT型号，驱动脉冲信号的电平，甚至PCB的设计体积进行器件选型和参数设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种IGBT驱动的栅极保护电路，其特征在于，包括：连接驱动板输出驱动脉冲信号的端口G与端口E，连接IGBT栅极的端口IGBT-G及连接IGBT射级的端口IGBT-E；所述端口G与端口IGBT-G连通，记为线路1；所述端口E与端口IGBT-E连通，记为线路2；所述线路1与线路2中连有：导通电阻R1，泄放电阻R2，保护电阻R3、R4、R5、R6，吸收电容C1，瞬态抑制二极管TVS1和TVS2，NMOS管Q1，NPN三级管Q2，保护二极管D1和D2，以及稳压管Z1和Z2；其中：

所述稳压管Z1和保护二极管D2以及保护电阻R3与R4依次串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

所述保护二极管D1与电容C2串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

所述泄放电阻R2设置在线路1中，且连接于保护二极管D1与稳压管Z1之间；

所述瞬态抑制二极管TVS1和TVS2串联连接，且并联在线路1与线路2之间；

所述导通电阻R1与吸收电容C1分别并联在线路1与线路2之间；

所述保护电阻R5、R6以及稳压管Z2依次串联连接，该串联电路的一端连接在保护二极管D1与电容C2之间，另一端连接线路2；

所述NPN三级管Q2的三个端口分别连接保护电阻R3与R4之间、保护电阻R5与R6之间，以及线路2；其中，所述NPN三级管Q2的集电极连接保护电阻R5与R6之间，基极连接保护电阻R3与R4之间，发射极连接线路2；

所述NMOS管Q1的三个端口分别连接瞬态抑制二极管TVS1和TVS2之间、保护电阻R6与稳压管Z2之间，以及线路2；其中，所述NMOS管Q1的漏极连接瞬态抑制二极管TVS1和TVS2之间，栅极连接保护电阻R6与稳压管Z2之间，源极连接线路2。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，

当驱动板输出驱动脉冲信号+V1与-V0ff的信号时，+V1电压小于稳压管Z1的击穿电压，击不穿稳压管Z1，NPN三极管Q2不导通，+V1信号通过二极管D1、电阻R5、R6加到NMOS管Q1的栅极，使NMOS管Q1导通，此时给电容C2充电，当信号变为-Voff时，电容C2的电压仍能使NMOS管Q1导通，整个周期瞬态抑制二极管TVS2被短路，只瞬态抑制二极管TVS1起作用，能够保护IGBT的栅极电压正负都不超过TVS1的击穿电压VD1；

当驱动板输出驱动脉冲信号+V2与-V0ff的信号时，+V2电压大于稳压管Z1的击穿电压，击穿Z1，三极管Q2导通，NMOS管Q1的栅极接地而不导通，瞬态抑制二极管TVS1和TVS1串联起作用，保护IGBT栅极正电压不超过TVS1和TVS2的击穿电压之和VD1+VD2，此时给电容C2充电；当信号变为-V0ff时，电容C2的电压仍能使NMOS管Q1导通，此时TVS2被短路，保证IGBT栅极负电压不超过TVS1的击穿电压VD1。